서 론
향신료는 식품의 풍미나 보존을 위해 세계적으로 사용되 고 있으며 그 수요는 매해 증가하고 있다(Schweiggert et al., 2007;Zweifel & Stephan, 2012). 그중에서 후추는 인 도, 베트남, 말레이시아 등에서 주로 생산되며(Ghodki & Goswami, 2017), 육류의 풍미 유지와 식품의 산화 방지를 위해 사용되는 향신료이다(Tipsrisukond et al., 1998;Gulcin, 2005). 후추는 건조 환경에서도 생존할 수 있는 미 생물의 오염도가 높을 수 있다고 알려져 있는데(Banerjee & Sarkar, 2004;Hertwig et al., 2015) 실제로 국내 재래시 장에 유통되는 후추의 경우 높은 세균 오염도를 보였다(예 , 7 log CFU/g) (Park et al., 2018). 향신료의 미생물 오염 제거 기술로 산화에틸렌을 이용한 훈증 처리와 방사선 조 사가 있지만 훈증 처리의 경우, 산화에틸렌에 의해 2-클로 로 에탄올 및 2-브로모 에탄올 등의 발암성 부산물을 생성 할 수 있어 유럽연합에서는 사용이 금지되었으며 (Schweiggert et al., 2007;Hertwig et al., 2015), 방사선 조사는 소비자의 수용도가 낮은 단점이 있어서(Noci et al., 2008;Hertwig et al., 2015) 향신료에 대한 새로운 미생물 저해 기술 개발이 요구되고 있다.
UV-C (250-260 nm)는 미생물의 DNA를 광화학적으로 산 화시키고 피리미딘 이합체를 형성시킴으로써 DNA의 전사 및 세포 복제 기능을 차단해(Allende et al., 2006;Cheon et al., 2015) 식품의 표면 미생물을 저해한다(Bintsis et al., 2000;Fine & Gervais, 2004;Ha & Kang, 2013). 하지만 UV-C 처리가 식품에 오염된 미생물을 효과적으로 저해시 키기 위해선 긴 시간 처리를 요구하며, 이는 식품의 지질 산화 속도를 높이는 등 품질 변화를 초래할 수 있다 (Degala et al., 2018). 따라서 UV-C 처리를 다른 살균 기 술과 병행한 허들 기술(hurdle technology)로 사용함으로써 처리 시간을 짧게 하면서도 미생물을 효율적으로 저해하는 기술 개발에 관심을 가질 수 있다.
플라즈마 처리는 자외선, 자유 전자, 양이온, 음이온, 자 유 라디칼, 그리고 산소 또는 질소 활성종과 같은 화학적 활성종들로 구성된 플라즈마가 미생물 세포막의 지질과 단 백질, 그리고 세포 내 DNA와 반응하여 미생물을 저해시 키는 기술이다(Laroussi & Leipold, 2004;Kim et al., 2013;Kim et al., 2019). Kim et al. (2013)은 질소-산소 혼합 가스를 이용하여 900 W에서 20분 동안 마이크로웨 이브 방식으로 후춧가루에 콜드 플라즈마 처리하였을 때, 후춧가루의 호기성 미생물을 검출 한계 이하(1.0 log CFU/ g)로 낮추어 플라즈마 처리가 분말의 미생물 오염도를 저 감화시키는데 효과적인 기술임을 보고하였다. 플라즈마는 다양한 방식으로 형성되는데 그중 대기압 플라즈마 제트는 진공, 코로나 방전 등의 방식보다 식품에 빠르고 균일하게 처리되기 때문에(Schutze et al., 1998) 상업화 적용 시 생 산성을 높일 수 있다.
UV-C 또는 플라즈마 처리는 식품의 품질 손상을 최소화 하면서 식품의 미생물학적 안전성을 높이기 위해 연구되어 왔으나 이 두 가지 기술이 병합된 허들 기술을 분말 식품 에 적용한 연구는 보고된 바 없다. 또한 양산형 규모의 플 라즈마 장비를 이용하여 식품의 미생물을 저해한 연구가 보고된 적이 거의 없으며 더욱이 UV-C와 플라즈마가 병합 된 양산 규모 장비를 이용하여 식품의 미생물을 저해한 연 구는 보고된 바 없다. 따라서 본 연구의 목적은 UV-C와 플라즈마를 병합 처리(UV-P 처리)하는 양산형 분말 식품 살균 장비를 이용하여 UV-P 처리 시 장비 작동 시간, 플 라즈마 충적 시간, 그리고 후춧가루의 수분 활성도가 병합 처리의 후춧가루 토착 미생물 저해와 색도 변화에 미치는 영향을 연구하는 것이었다.
재료 및 방법
본 연구에서 사용한 후춧가루(Piper nigrum Linn.)는 소 연식품(Gimpo, Korea)과 조대당약국(Seoul, Korea)에서 구 매하였고, 각각의 후춧가루를 ‘시료 A’와 ‘시료 B’로 명명 하였다. UV-P 처리 시 UV-P 장비 작동 시간의 후춧가루 토착 미생물 저해와 색도에 대한 영향을 관찰하는 실험에 서만 시료 A를 사용하였고, 그 외 실험에서는 시료 B를 사용하였다. 모든 후춧가루는 포장된 상태로 실온(23.0±2.0 °C)에서 보관되었다.
본 연구에서 사용한 양산형 UV-P 처리 시스템(SWU-5; Seoul Women’s University, Seoul, Korea)은 공기 압축기 (SLPs-75E, Anest Iwata Corp., Tokyo, Japan), 공기 건조 기(XD-20, GSA Co., Gwangju, Korea), 그리고 압축 공기 저장탱크(Cheil industrial Co., Hwaseong, Korea)로 이루어 진 공압부, 시료 주입기(41 L, Duk Young Engineering, Seongnam, Korea, Fig. 1), UV-C 처리기(Fig. 1), 그리고 플라즈마 제트 처리기(FP Squared Co., Seoul, Korea, Fig. 1)로 이루어진 시료 처리부, 그리고 냉각기(HAC-25 A, Hwashin Tech Co., Daegu, Korea)와 냉각 자켓(Fig. 1)으 로 이루어진 냉각부로 구성되었다. 공기 압축기, 공기 건조 기, 그리고 압축 공기 저장 탱크는 대기의 공기를 건조한 후 저장하는 장치로, 저장된 공기는 플라즈마를 형성시키 고 기기 내부에서 시료를 순환시키기 위해 사용되었다. 본 장비에서 사용된 UV-C 처리기는 2개의 UV-C 램프 (GPH510T6L, 58 W)로 구성되어 기기의 하단부에 설치되 었고, 대기압 방식의 플라즈마 제트 처리기는 4개의 회전 형 처리 노즐로 구성되었으며 기기 하단부에서 UV-C 처리 되어 이송된 시료를 연속적으로 플라즈마 제트 처리할 수 있게 설치되었다. 시료 주입기에 투입된 후춧가루는 840 L/분으로 이동하는 건조 공기에 날려 0.5MPa의 압력으로 강제 이송되며, 시료 주입기 내 밸브는 8.5초에 한 번씩 열리게 하였다.
UV-P 처리 시 장비 작동 시간의 후춧가루 토착 미생물 저해와 색도에 대한 영향을 확인하기 위해 작동 시간을 10, 15, 20, 25 그리고 30분으로 달리하여 후춧가루를 처 리하였다. UV-P 처리가 후춧가루의 미생물 저해에 있어 상승효과를 보이는지 확인하기 위해 후춧가루를 단독 UVC, 단독 플라즈마, 그리고 UV-P 처리한 후 저해율을 확인 하였다. UV-P 처리 전 플라즈마 충적 시간의 후춧가루 토 착 미생물 저해와 색도에 대한 영향을 확인하기 위해 플라 즈마 충적 시간을 0, 10 그리고 20분으로 달리하여(작동 시간: 20분) UV-P 처리하였다. UV-P 처리 시 수분 활성도 (aw)에 따른 후춧가루의 토착 미생물 저해와 색도에 대한 영향을 확인하기 위해 aw를 조절하지 않은 후춧가루(aw: 0.6)와 aw를 조절한 후춧가루(aw: 0.8)를 UV-P 처리하였다. 이때 사용된 플라즈마 충적 시간과 UV-P 장비 작동 시간 은 각각 10분과 20분이었다. 증류수로 채워진 데시케이터 에 후춧가루를 3일간 저장하여 후춧가루의 aw를 0.8로 조 절하였다. aw 0.8은 후춧가루가 서로 뭉치지 않은 가장 높 은 aw이었다.
처리되지 않거나 단독 UV, 단독 플라즈마, 또는 UV-P 처리된 후춧가루 1 g을 멸균 백(310 mL, Nasco Whirl- Pak®, Fort Atkinson, WI, USA)에 담은 후 멸균된 0.1% 펩톤 수(DifcoTM, Becton and Dickinson, Detroit, MI, USA)를 9 g 넣었다. 희석된 시료를 멸균된 0.1% 펩톤 수 로 단계 희석하여 표준 한천배지(plate count agar, PCA, DifcoTM)에 평판도말하고 이를 37°C에서 48시간 동안 저장 한 후 배지에 형성된 콜로니를 계수하여 중온 호기성 세균 수를 결정하였다.
UV-P 처리 장비 작동 시간의 후춧가루 색에 대한 영향 을 관찰하는 실험에서는 시료 A를 사용하였고, 플라즈마 충적 시간과 aw의 색에 대한 영향을 관찰하는 실험에서는 시료 B를 사용하였다. UV-P 처리되거나 되지 않은 5 g의 시료를 채운 페트리 접시(diameter×height, 35×10 mm, SPL Life Science, Pocheon, Korea)를 백색 표준판(Illuminate C, 2o standard observer) 위에 올린 후 색도계(Minolta Chroma Meter CR-400, Minolta Camera Co., Osaka, Japan)를 이 용하여 후춧가루 색을 CIE L*a*b* 좌표로 측정하였다. 색 상각(hue angle)은 tan-1 (CIE b*/ CIE a*)으로 계산하였다.
양산형 UV-P 처리 시스템의 내부 온도는 그래픽 기록계 (KR 2S00, Chino, Hwaseong, Korea)를 사용하여 측정하였 고, UV-P 처리 전과 후 후춧가루의 표면 온도는 적외선 온 도계(DT 44L, DIAS Infrared GmbH, Dresden, Germany)를 사용하여 측정하였다.
단독 UV, 단독 플라즈마, 그리고 UV-P 처리된 후춧가루 의 토착 미생물 저해와 색도 측정 실험은 2회 반복되었고, 반복마다 미생물 분석과 색도 측정은 각각 2개와 4개의 시 료를 이용하여 이루어졌다. 각 표본의 평균값에 대한 통계 적 유의성 검정은 SPSS (Ver. 24, SPSS Inc., Chicago, IL, USA)를 이용해 대응표본 t-test로 수행하였고, 유의차가 있 는 경우 일원 배치 분산분석(one-way ANOVA) 후, Duncan 다중범위 검증(Duncan’s multiple range test)으로 사후 분석 을 하였다(α=0.05).
결과 및 고찰
초기 세균 오염도가 7.7±0.1 log CFU/g인 시료 A를 10, 15, 20, 25, 그리고 30분 동안 작동시켜 UV-P 처리하였을 때 시료 A의 토착 중온 호기성 세균은 각각 0.2±0.1, 0.1±0.1, 0.3±0.1, 0.4±0.1, 그리고 0.3±0.1 log CFU/g 저해 되었으며, 이때 20, 25, 그리고 30분 처리는 후춧가루의 토 착 중온 호기성 세균을 유의적으로 저해시켰다(p<0.05). 이 후 실험들은 후춧가루의 토착 중온 호기성 세균을 유의적 으로 높게 저해시킨 작동 시간 중 가장 짧은 시간인 20분 으로 진행하였다.
초기 세균 오염도가 모두 7.7±0.1 log CFU/g인 시료 A 와 시료 B를 UV-P 처리하였을 때 시료 A와 시료 B의 토 착 중온 호기성 세균은 각각 0.3±0.1과 1.0±0.1 log CFU/g 저해되어 시료 B에서 미생물 저해가 더 효과적으로 일어 났음을 알 수 있었다(p<0.05). 시료 A와 B의 후춧가루의 표면 특성이 유사하다고 가정하면 결과에서 보인 미생물 저해 차이는 시료 A와 B의 서로 다른 오염 미생물에 기 인한다고 볼 수 있다.
단독 UV-C, 단독 플라즈마, 그리고 UV-P 처리는 후춧가 루의 토착 중온 호기성 세균을 0.2±0.1, 0.5±0.1, 그리고 1.0±0.1 log CFU/g 저해시켰다. UV-P 처리에 의한 미생물 저해율이 단독 UV-C와 단독 플라즈마 처리에 의한 미생물 저해율의 합보다 컸으므로(p<0.05), UV-P 처리의 미생물 저해 상승효과를 확인할 수 있었다. 상승효과는 UV-P 처 리 시 플라즈마 처리가 후춧가루 내 토착 미생물을 저해시 킴과 동시에 UV-C 처리에 의해 손상된 미생물도 동시에 저해시켰기 때문에 보였을 것으로 사료된다.
UV-P 처리부 내부를 플라즈마에서 생성되는 활성종으로 채운 후 후춧가루를 처리하면 후춧가루가 더 많은 플라즈 마 활성종과 반응하여 후춧가루 미생물을 더 효율적으로 저해시킬것이라고 가설을 세우고 충적 시간이 저해율에 미 치는 영향을 연구하였다. 하지만 플라즈마 충적 시간이 0, 10, 그리고 20분이었을 때 UV-P 처리된 후춧가루의 토착 중온 호기성 세균은 각각 1.0±0.1, 0.9±0.1, 그리고 0.8±0.1 log CFU/g 저해되어 서로 간의 유의적 차이를 보이지 않 아(p>0.05) 플라즈마 충적 시간이 토착 중온 호기성 세균 저해 효과에 영향을 미치지 않았음을 알 수 있었다. 이는 플라즈마 내 대부분 활성종의 짧은 수명과(Gaunt et al., 2006) UV-P 처리부 내부 공기 순환에 의한 활성종의 외부 배출 때문으로 사료되었다.
UV-P 처리는 후춧가루의 aw가 0.6과 0.8일 때 후춧가루 의 토착 중온 호기성 세균을 각각 1.0±0.1과 0.9±0.1 log CFU/g 저해시켰다 (초기 미생물 수: ~7.7 log CFU/g). 하 지만 aw에 따른 유의적인 차이를 보이지 않았으므로 (p>0.05) 본 연구에 적용된 aw 증가는 UV-P 처리에 의한 후춧가루의 토착 중온 호기성 세균 저해에 영향을 미치지 않았음을 알 수 있었다. Lee et al. (2015)은 플라즈마를 이용해 건무화과에 오염된 Escherichia coli O157:H7과 Listeria monocytogens을 저해시켰을 때 건무화과의 aw가 0.9인 경우 0.7인 경우보다 각 미생물을 각각 0.8과 0.6 log CFU/g만큼 더 저해시켰다고 보고하였고 이는 aw가 낮 을수록 미생물 세포가 수축되어 두꺼워진 세포막이 플라즈 마 내 활성종을 세포로 이동할 수 없게 하기 때문이라고 설명하였다. 하지만 본 연구에서는 그러한 경향을 확인할 수 없었는데, 이는 aw 0.8의 후춧가루가 UV-P 처리될 때 순환하는 건조 공기에 의해 후춧가루가 aw를 유지하지 못 하고 감소하였기 때문으로 사료되었다. 실제 aw가 0.8이었 던 후춧가루의 aw를 작동 후 측정해 보았을 때 그 값이 0.3이었고 그 값은 aw를 조절하지 않은 시료(aw 0.6)의 작 동 후 aw 값과 같았다.
UV-P 처리된 후춧가루의 명도(L*)는 UV-P 장비 작동 시간이 길어질수록 감소하는 경향을 보였다(p<0.05) (Table 1). UV-P 처리(30분) 중 UV-C 처리가 끝나는 처리부 안의 온도가 약 40°C였고 플라즈마 처리가 끝나는 처리부 안의 온도는 약 84°C였다. 실제 30분 작동 직후 회수된 후춧가 루의 표면 온도는 36.8±2.6°C로 처리 전(24.1±2.1°C)보다 약 13°C 높은 온도였다. 후춧가루와 같은 향신료는 고온에 의해 색 분해가 촉진되어 명도가 감소한다고 보고된 바 있 다(Liu et al., 2013). 따라서 본 연구에서 보인 UV-P 처리 후 후춧가루 명도의 감소는 처리부 내의 온도 상승이 후춧 가루의 색 분해를 가져왔기 때문으로 사료되었다. 색상각 의 경우 장비 작동 시간에 상관없이 UV-P 처리된 후춧가 루와 처리되지 않은 후춧가루는 유의적인 차이를 보이지 않았다(74.1-75.0) (Table 1, p>0.05). 색상각의 값이 45-75 인 경우 색상각은 갈색 정도를 나타내며(Hanshim et al., 2016) 그 범위 내에서 높은 색상각은 연한 갈색을 나타내 고 낮은 색상각은 진한 갈색을 나타낸다(Hanshim et al., 2016). 따라서 UV-P 처리 시 장비 작동 시간은 후춧가루 의 갈색에 영향을 주지 않았음을 알 수 있었다.
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UV-P 처리된 후춧가루는 플라즈마 충적 시간에 상관없 이 처리되지 않은 후춧가루보다 낮은 명도와 높은 갈색도 를 보였다(Table 2, p<0.05). 색의 변화는 UV-P 장비 작동 시간의 색에 대한 영향을 설명할 때와 마찬가지로 UV-P 처리 시 처리부 내부의 높은 온도가 색 분해를 촉진했기 때문으로 설명할 수 있다. 또한 충적 시간이 20분이었을 때는 충적 시간 없이 처리되었을 때(0분)와 10분이었을 때 보다 후춧가루의 명도가 낮아지고 갈색도가 높아졌다 (p<0.05). 이는 식품의 지방을 산화시킬 수 있는 플라즈마 의 활성종이(Thirumdas et al., 2015, Yong et al., 2015) UV-P 내부 공기 순환에 의해 배출이 되었음에도 불구하고 남아 있는 활성종이 후춧가루가 함유하는 지방(약 5%) (Park et al., 1991)과 반응해 산화를 유도하였기 때문으로 사료되었다(Fine & Gervais, 2004). 하지만 앞서 기술한 바 처럼 충적 시간이 20분이었을 때 토착 중온 호기성 세균 저해에 있어서는 유의적인 차이를 보이지 않았는데 이는 아마도 20분 동안 내부에 충적된 활성종이 색을 변화시킬 정도는 되었으나 미생물을 저해시킬 정도는 안 되었음을 의미한다. 이와 더불어 이전 UV-P 장비 작동 시간의 색에 영향을 관찰하는 실험에선 같은 작동 시간(20분)으로 후춧 가루를 UV-P 처리하였을 때 후춧가루의 갈색도가 영향을 받지 않았던 반면 본 실험에서는 갈색도가 증가하였다. 이 는 UV-P 처리의 토착 중온 호기성 세균 저해 연구 결과에 서처럼 실험에 사용된 시료 차이에 기인한 것으로 보이며 UV-P 처리의 미생물 저해와 색에 대한 효과는 반드시 사 용되는 시료에 따라 평가되어야 함을 시사한다. 또한 본 연구 결과는 후춧가루의 aw를 0.6에서 0.8로 높이는 것이 UV-P 처리에 의한 후춧가루의 색 변화에 영향을 주지 않 음을 보여주었다(Table 3).
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요 약
양산형 UV-P 처리는 장비를 20분 이상 작동하였을 때 후춧가루의 토착 중온 호기성 세균을 유의적으로 저해시켰 다. UV-P 처리는 토착 미생물 저해에 있어 상승효과를 보 여주었으나 후춧가루의 색을 어둡게 하였다. UV-P 처리의 후춧가루 미생물 저해 효과와 색 변화에 대한 영향은 처리 되는 후춧가루를 오염시키는 미생물과 후춧가루 종류에 영 향을 받음을 알 수 있었다. 또한 본 연구 결과는 UV-P 장 비 내 플라즈마 충적 시간과 후춧가루의 aw 상승이 UV-P 처리된 후춧가루의 미생물 저해 효과 향상과 색 유지에 효 과적이지 않음을 알 수 있었다. 본 연구는 UV-C와 플라즈 마 처리를 병합한 양산형 UV-P 처리가 후춧가루의 토착 미생물을 저해시키는 기술로서의 가능성을 보여주었다. 그 러나 앞으로 추가적인 연구를 통해 UV-P 처리부의 온도 상승 및 후춧가루의 색도 변화를 최소화할 수 있는 방법이 제시되어야 할 것이다.
